作者：Stanford University

在未来更快、更高效的信息处理的可能是光而不是电。斯坦福大学材料科学与工程的博士后学者马克·劳伦斯（Mark Lawrence）提出了一个制造光子二极管的方案，这是一种只允许光朝一个方向流动的装置，与其他基于光的二极管不同，这种二极管对于消费类电子产品来说足够小。

他所要做的就是设计比微观结构更小的结构，打破物理学的基本对称性。

“二极管在现代电子产品中随处可见，从LED（发光二极管）到太阳能电池（本质上是LED反向运行），再到计算和通信用集成电路，”7月24日发表在《自然通讯》杂志上的文章作者材料科学与工程副教授、论文高级作者Jennifer Dionne说。实现紧凑、高效的光子二极管对于实现下一代计算、通信甚至能量转换技术至关重要。

在这一点上，Dionne和Lawrence设计了新的光子二极管，并通过计算机模拟和计算验证了它们的设计。他们还创造了必要的纳米结构——比显微组件更小的定制——并安装了他们希望能使他们的理论系统成功的光源。

Lawrence说：“一个宏伟的愿景是拥有一台全光计算机，在那里电完全被光取代，光子驱动所有的信息处理。光的速度和带宽的增加将使一些最困难的科学、数学和经济问题得到更快的解决。”

改变光传输，打破传统

光基二极管的主要挑战是双重的。首先，遵循热力学定律，光应该以向后运动的方式，在没有运动部件的物体中向前运动。使它朝一个方向流动需要新的材料来推翻这一定律，打破所谓的时间反转对称性。其次，光比电更难操纵，因为它没有电荷。

其他研究人员以前通过偏振器（使光波在一个统一的方向上振荡）传输光，然后通过磁场中的晶体材料（使光的偏振旋转）来解决这些挑战。最后，另一个与偏振匹配的偏振器引导光以近乎完美的传输。如果光以相反的方向穿过装置，则没有光出来。

Lawrence描述了这种由三部分组成的装置，即法拉第隔离装置的单向作用，类似于在两扇门之间建一条移动的人行道，人行道起到磁场的作用。即使你试图从最后一扇门往回走，人行道通常也会阻止你到达第一扇门。

为了产生足够强的光偏振旋转，这种二极管必须相对较大——太大了，不适合用于消费电脑或智能手机。作为替代方案，Dionne和Lawrence想出了一种方法，用另一束光束而不是磁场来创造晶体中的旋转。这种光束被极化，使其电场发生螺旋运动，从而在晶体中产生旋转的声学振动，使其具有磁状旋转能力，并使更多的光得以散出。为了使这种结构既小又高效，Dionne实验室依靠其专业技术，利用微小的纳米天线和称为超表面的纳米结构材料来操纵和放大光。

研究人员设计了一组超薄硅磁盘阵列，它们成对工作，以捕捉光线并增强其螺旋运动，直到找到出路。这将导致向前方向的高传输。当反向照明时，声音振动会反方向旋转，有助于消除试图离开的任何光线。从理论上讲，这个系统可以有多小是没有限制的。为了进行模拟，他们设想了250纳米的结构。（作为参考，一张纸大约有100000纳米厚。）

研究前景

总的来说，研究人员特别感兴趣的是他们的想法可能会影响大脑样计算机的发展，也被称为神经形态计算机。这一目标还将需要在其他基于光的组件（如纳米级光源和开关）方面取得额外的进展。

Dionne说：“我们的纳米光子器件可以让我们模拟神经元的计算方式，使计算具有与大脑相同的高互联性和能量效率，但计算速度要快得多。”

Lawrence说：“我们可以把这些想法带到很多方面。我们还没有发现经典或量子光学计算和光学信息处理的局限性。总有一天，我们可以拥有一个全光学芯片，它可以完成所有电子产品的工作，甚至更多。”